Russische Wissenschaftler entwickeln 3D-Kompositmaterial für die Luft- und Raumfahrt

Ein Team von Wissenschaftlern am NUST MISIS Center für Industrial Prototyping of High Complexity hat erste Proben von 3D-Aluminium-Komposit-Komponenten mit keramischen Füllstoffen (Aluminiumoxid und Nitrid) erzeugt, die im Laser Melting-Verfahren hergestellt wurden. Die gewonnenen Verbundwerkstoffe werden in allernächster Zukunft bei der Entwicklung von Raumfahrzeugteilen in der russischen Luftfahrtindustrie Einsatz finden. Die Forschung läuft im Rahmen einer Förderung durch die Russian Science Foundation.

Wissenschaftler der National University of Science and Technology MISIS haben unter der Leitung von Professor Alexandr Gromov ein Verfahren zum 3D-Druck von Alumomatrix (aluminiumbasierten) Verbundwerkstoffen mit keramischen Füllstoffen entwickelt. Die Forschung wurde im Rahmen eines Projekts der Russian Science Foundation durchgeführt. Der Einsatz von Additivtechnologien ermöglichte es, die Festigkeit der resultierenden Pulvermaterialien um 20% zu erhöhen.

“Beim D3-Druck von Aluminiumkomponenten werden hauptsächlich so genannte Silumine (Legierungen aus Aluminium mit Silizium, insbesondere die Verbindung Al-Si-10Mg) als Rohstoffe verwendet”, erklärt Alexander Gromov “Die Anforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie wachsen jedoch, und die Wissenschaftler sind jetzt aktiv auf der Suche nach neuen Zusammensetzungen von Alumomatrix-Verbindungen (auch dotierten), um Komponenten mit verbesserter Leistung (Festigkeit, Härte, Rissbeständigkeit) und niedrigen Kosten im Vergleich zu Legierungen mit Seltenen Erden zu erhalten”.

Die jährliche Wachstumsrate des globalen Marktes für additive Fertigung ist hoch. Das liegt an verschiedenen Faktoren. So lassen sich mit dem industriellen 3D-Druck mit Metall komplexe Strukturen produzieren und somit kann das Gewicht reduziert werden. Diese Form der Entwicklung ist gerade in der Luft- und Raumfahrt ein wichtiger Faktor.

In dem Projekt der russichen Wissenschaftler besteht die Hauptaufgabe darin, das Gewicht der Komponente unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften zu reduzieren. Das heutzutage hauptsächlich in Fluggeräten verwendete Metall ist Titan. Es ist ein langlebiges, korrosions- und belastbares Material, dessen einziger wesentlicher Nachteil seine hohe Dichte von 5,4 g/mm ist. Leichtes und gleichzeitig duktiles Aluminium hat eine Dichte von 2,7 g/mm, d.h., es ist halb so leicht, jedoch auch deutlich weniger stark als Titan. Die Wissenschaftler suchen aktiv nach Wegen, Aluminium zu verstärken.

“Durch das Härten von keramischen Additiven direkt im Prozess des 3D-Drucks ist es uns gelungen, die Festigkeit von Aluminiumpulvern zu erhöhen. Es galt bislang als unmöglich, solche Verbundwerkstoffe auf z.B. SLM-Druckern zu erzielen. Die Gruppe war jedoch in der Lage, experimentelle Proben des neuen Pulvermaterials auf einem konventionellen SLM-280 HL Drucker mit Hilfe des Selektiven Laser Melting-Verfahrens zu erstellen”, sagt Professor Gromov weiter.

Die vorgeschlagenen Methoden ermöglichen, die Flexibilität des Designs zu erhöhen, die Produktionszeit von funktionalen Prototypen zu verkürzen und das Gewicht der so erzeugten Komponenten um 10-20% zu reduzieren.

Das Forschungsteam führt derzeit eine Reihe von Labortests an der resultierenden Materialcharge durch. In Kürze werden die Wissenschaftler den nächsten Schritt des Projekts angehen und die ersten Proben der Komponenten aus diesem Aluminium-Keramik-Pulver untersuchen.

Die Forschungen wurden in dem Fachartikel “Aluminum-Alumina Composites: Part I: Obtaining and Characterization of Powders” veröffentlicht.